Pernahkah anda berfikir tentang betapa rendahnya suhu? Apakah sifar mutlak? Adakah manusia akan dapat mencapainya dan apakah peluang yang akan terbuka selepas penemuan sedemikian? Soalan-soalan ini dan lain-lain yang serupa telah lama menguasai fikiran ramai ahli fizik dan orang yang ingin tahu.
Apakah sifar mutlak
Walaupun anda tidak menyukai fizik sejak kecil, anda mungkin biasa dengan konsep suhu. Terima kasih kepada teori kinetik molekul, kini kita tahu bahawa terdapat hubungan statik tertentu antaranya dan pergerakan molekul dan atom: semakin tinggi suhu mana-mana badan fizikal, semakin cepat atomnya bergerak, dan sebaliknya. Persoalannya timbul: "Adakah terdapat had yang lebih rendah di mana zarah asas akan membeku di tempatnya?" Para saintis percaya bahawa ini secara teorinya mungkin; termometer akan berada pada -273.15 darjah Celsius. Nilai ini dipanggil sifar mutlak. Dalam erti kata lain, ini adalah had minimum yang mungkin untuk badan fizikal boleh disejukkan. Malah terdapat skala suhu mutlak (skala Kelvin), di mana sifar mutlak adalah titik rujukan, dan pembahagian unit skala adalah sama dengan satu darjah. Para saintis di seluruh dunia tidak berhenti berusaha untuk mencapai nilai ini, kerana ini menjanjikan prospek yang sangat besar untuk manusia.
Mengapa ini sangat penting
Suhu yang sangat rendah dan sangat tinggi berkait rapat dengan konsep superfluiditi dan superkonduktiviti. Kehilangan rintangan elektrik dalam superkonduktor akan memungkinkan untuk mencapai nilai kecekapan yang tidak dapat dibayangkan dan menghapuskan sebarang kehilangan tenaga. Jika kita dapat mencari jalan yang membolehkan kita mencapai nilai "sifar mutlak" secara bebas, banyak masalah manusia akan diselesaikan. Kereta api berlegar di atas rel, enjin yang lebih ringan dan lebih kecil, transformer dan penjana, magnetoencephalography berketepatan tinggi, jam tangan berketepatan tinggi - ini hanyalah beberapa contoh perkara yang boleh dibawa oleh superkonduktiviti kepada kehidupan kita.
Kemajuan Sains Terkini
Pada September 2003, penyelidik dari MIT dan NASA dapat menyejukkan gas natrium ke paras terendah. Semasa percubaan, mereka hanya kurang separuh bilion darjah daripada garisan penamat (sifar mutlak). Semasa ujian, natrium sentiasa berada dalam medan magnet, yang menghalangnya daripada menyentuh dinding bekas. Sekiranya mungkin untuk mengatasi halangan suhu, gerakan molekul dalam gas akan berhenti sepenuhnya, kerana penyejukan sedemikian akan mengeluarkan semua tenaga daripada natrium. Para penyelidik menggunakan teknik yang pengarangnya (Wolfgang Ketterle) menerima Hadiah Nobel dalam Fizik pada tahun 2001. Perkara utama dalam ujian ialah proses gas pemeluwapan Bose-Einstein. Sementara itu, tiada siapa lagi yang membatalkan undang-undang ketiga termodinamik, mengikut mana sifar mutlak bukan sahaja tidak dapat diatasi, tetapi juga nilai yang tidak boleh dicapai. Di samping itu, prinsip ketidakpastian Heisenberg terpakai, dan atom tidak boleh berhenti mati di landasan mereka. Oleh itu, buat masa ini, suhu sifar mutlak masih tidak dapat dicapai untuk sains, walaupun saintis telah dapat mendekatinya pada jarak yang boleh diabaikan.
Mana-mana badan fizikal, termasuk semua objek di Alam Semesta, mempunyai suhu minimum atau hadnya. Titik permulaan mana-mana skala suhu dianggap sebagai nilai suhu sifar mutlak. Tetapi ini hanya dalam teori. Pergerakan huru-hara atom dan molekul, yang melepaskan tenaga mereka pada masa ini, masih belum dihentikan dalam amalan.
Inilah sebab utama mengapa suhu sifar mutlak tidak dapat dicapai. Masih terdapat perdebatan tentang akibat daripada proses ini. Dari sudut pandangan termodinamik, had ini tidak dapat dicapai, kerana pergerakan terma atom dan molekul berhenti sepenuhnya, dan kekisi kristal terbentuk.
Wakil fizik kuantum membayangkan kehadiran ayunan sifar minimum pada suhu sifar mutlak.
Apakah nilai suhu sifar mutlak dan mengapa ia tidak boleh dicapai
Pada Persidangan Agung mengenai Timbang dan Sukat, rujukan atau titik rujukan telah diwujudkan buat kali pertama untuk alat pengukur yang menentukan penunjuk suhu.
Pada masa ini, dalam Sistem Unit Antarabangsa, titik rujukan untuk skala Celsius ialah 0°C untuk pembekuan dan 100°C untuk mendidih, nilai suhu sifar mutlak adalah bersamaan dengan -273.15°C.
Menggunakan nilai suhu pada skala Kelvin mengikut Sistem Unit Antarabangsa yang sama, pendidihan air akan berlaku pada nilai rujukan 99.975 ° C, sifar mutlak adalah sama dengan 0. Pada skala Fahrenheit penunjuk sepadan dengan -459.67 darjah .
Tetapi, jika data ini diperoleh, mengapakah mustahil untuk mencapai suhu sifar mutlak dalam amalan? Sebagai perbandingan, kita boleh mengambil kelajuan cahaya yang terkenal, yang sama dengan nilai fizikal malar 1,079,252,848.8 km/j.
Walau bagaimanapun, nilai ini tidak dapat dicapai dalam amalan. Ia bergantung kepada panjang gelombang penghantaran, keadaan, dan penyerapan yang diperlukan bagi sejumlah besar tenaga oleh zarah. Untuk mendapatkan nilai suhu sifar mutlak, output tenaga yang besar diperlukan dan ketiadaan sumbernya untuk menghalangnya daripada memasuki atom dan molekul.
Tetapi walaupun dalam keadaan vakum lengkap, saintis tidak dapat memperoleh sama ada kelajuan cahaya atau suhu sifar mutlak.
Mengapakah boleh mencapai lebih kurang suhu sifar, tetapi bukan sifar mutlak?
Apa yang akan berlaku apabila sains boleh hampir mencapai suhu sifar mutlak yang sangat rendah hanya kekal dalam teori termodinamik dan fizik kuantum. Apakah sebab mengapa suhu sifar mutlak tidak dapat dicapai dalam amalan.
Semua percubaan yang diketahui untuk menyejukkan bahan ke had terendah disebabkan kehilangan tenaga maksimum membawa kepada fakta bahawa kapasiti haba bahan juga mencapai nilai minimum. Molekul-molekul itu tidak lagi dapat melepaskan tenaga yang tinggal. Akibatnya, proses penyejukan berhenti tanpa mencapai sifar mutlak.
Apabila mengkaji kelakuan logam di bawah keadaan yang hampir dengan suhu sifar mutlak, saintis mendapati bahawa penurunan suhu maksimum harus menimbulkan kehilangan rintangan.
Tetapi pemberhentian pergerakan atom dan molekul hanya membawa kepada pembentukan kekisi kristal, yang melaluinya elektron yang melalui memindahkan sebahagian daripada tenaga mereka kepada atom pegun. Sekali lagi, tidak mungkin untuk mencapai sifar mutlak.
Pada tahun 2003, suhu hanya setengah bilion daripada 1°C kurang daripada sifar mutlak. Penyelidik NASA menggunakan molekul Na untuk menjalankan eksperimen, yang sentiasa berada dalam medan magnet dan melepaskan tenaganya.
Pencapaian terdekat dicapai oleh saintis di Universiti Yale, yang pada 2014 mencapai angka 0.0025 Kelvin. Kompaun yang terhasil, strontium monofluoride (SrF), hanya bertahan selama 2.5 saat. Dan pada akhirnya ia masih hancur menjadi atom.
Pemilihan titik ais cair dan air mendidih sebagai titik utama skala suhu adalah sewenang-wenangnya. Skala suhu yang diperolehi dengan cara ini ternyata menyusahkan untuk kajian teori.
Berdasarkan undang-undang termodinamik, Kelvin berjaya membina apa yang dipanggil skala suhu mutlak (kini dipanggil skala suhu termodinamik atau skala Kelvin), bebas sepenuhnya daripada sifat badan termometrik atau parameter termometrik yang dipilih. Walau bagaimanapun, prinsip membina skala sedemikian melangkaui kurikulum sekolah. Kami akan melihat isu ini menggunakan pertimbangan lain.
Formula (2) membayangkan dua cara yang mungkin untuk mewujudkan skala suhu: menggunakan perubahan tekanan sejumlah gas pada isipadu malar atau perubahan isipadu pada tekanan malar. Skala ini dipanggil skala suhu gas ideal.
Suhu yang ditentukan oleh kesamaan (2) dipanggil suhu mutlak. Suhu mutlak Τ tidak boleh negatif, kerana jelas terdapat kuantiti positif di sebelah kiri kesamaan (2) (lebih tepat, ia tidak boleh mempunyai tanda yang berbeza; ia boleh sama ada positif atau negatif. Ini bergantung pada pilihan tanda pemalar k. Oleh kerana telah dipersetujui bahawa suhu titik tiga harus dianggap positif, suhu mutlak hanya boleh positif). Oleh itu, nilai suhu terendah yang mungkin T= 0 ialah suhu apabila tekanan atau isipadu sifar.
Suhu mengehadkan di mana tekanan gas ideal hilang pada isipadu tetap atau isipadu gas ideal cenderung kepada sifar (iaitu, gas harus dimampatkan menjadi "titik") pada tekanan malar dipanggil sifar mutlak. Ini adalah suhu paling rendah dalam alam semula jadi.
Daripada kesamaan (3), dengan mengambil kira bahawa \(~\mathcal h W_K \mathcal i = \frac(m_0 \mathcal h \upsilon^2 \mathcal i)(2)\) , makna fizikal sifar mutlak berikut: sifar mutlak - suhu di mana gerakan translasi terma molekul harus berhenti. Sifar mutlak tidak boleh dicapai.
Sistem Unit Antarabangsa (SI) menggunakan skala suhu termodinamik mutlak. Sifar mutlak diambil sebagai suhu sifar pada skala ini. Titik rujukan kedua ialah suhu di mana air, ais dan wap tepu berada dalam keseimbangan dinamik, yang dipanggil titik tiga (pada skala Celsius, suhu titik tiga ialah 0.01 °C). Setiap unit suhu mutlak, dipanggil Kelvin (dilambangkan dengan 1 K), adalah sama dengan darjah Celsius.
Dengan merendam kelalang termometer gas dalam ais cair dan kemudian dalam air mendidih pada tekanan atmosfera biasa, mereka mendapati bahawa tekanan gas dalam kes kedua adalah 1.3661 kali lebih besar daripada yang pertama. Dengan mengambil kira perkara ini dan menggunakan formula (2), kita boleh menentukan bahawa suhu lebur ais T 0 = 273.15 K.
Sesungguhnya, mari kita tulis persamaan (2) untuk suhu T 0 pencairan ais dan suhu air mendidih ( T 0 + 100):
\(~\frac(p_1V)(N) = kT_0 ;\) \(~\frac(p_2V)(N) = k(T_0 + 100) .\)
Membahagikan persamaan kedua dengan yang pertama, kita dapat:
\(~\frac(p_2)(p_1) = \frac(T_0 + 100)(T_0) .\)
\(~T_0 = \frac(100)(\frac(p_2)(p_1) - 1) = \frac(100)(1.3661 - 1) = 273.15 K.\)
Rajah 2 menunjukkan rajah skematik skala Celsius dan skala termodinamik.
> Sifar mutlak
Ketahui apa yang sama dengannya suhu sifar mutlak dan nilai entropi. Ketahui berapa suhu sifar mutlak pada skala Celsius dan Kelvin.
Sifar mutlak– suhu minimum. Ini adalah titik di mana entropi mencapai nilai terendahnya.
Objektif pembelajaran
- Fahami mengapa sifar mutlak ialah penunjuk semula jadi bagi titik sifar.
Perkara utama
- Sifar mutlak adalah universal, iaitu semua jirim berada dalam keadaan dasar pada penunjuk ini.
- K mempunyai tenaga sifar mekanikal kuantum. Tetapi dalam tafsiran, tenaga kinetik boleh menjadi sifar, dan tenaga haba hilang.
- Suhu terendah dalam keadaan makmal mencapai 10-12 K. Suhu semula jadi minimum ialah 1 K (pengembangan gas dalam Nebula Boomerang).
Syarat
- Entropi ialah ukuran bagaimana tenaga seragam diagihkan dalam sistem.
- Termodinamik ialah cabang sains yang mengkaji haba dan hubungannya dengan tenaga dan kerja.
Sifar mutlak ialah suhu minimum di mana entropi mencapai nilai terendahnya. Iaitu, ini adalah penunjuk terkecil yang boleh diperhatikan dalam sistem. Ini adalah konsep universal dan bertindak sebagai titik sifar dalam sistem unit suhu.
Graf tekanan lawan suhu bagi gas yang berbeza dengan isipadu tetap. Ambil perhatian bahawa semua graf mengekstrapolasi kepada tekanan sifar pada satu suhu
Sistem pada sifar mutlak masih dikurniakan tenaga titik sifar mekanikal kuantum. Mengikut prinsip ketidakpastian, kedudukan zarah tidak boleh ditentukan dengan ketepatan mutlak. Jika zarah disesarkan pada sifar mutlak, ia masih mempunyai rizab tenaga minimum. Tetapi dalam termodinamik klasik, tenaga kinetik boleh menjadi sifar, dan tenaga haba hilang.
Titik sifar skala termodinamik, seperti Kelvin, adalah sama dengan sifar mutlak. Perjanjian antarabangsa telah menetapkan bahawa suhu sifar mutlak mencapai 0K pada skala Kelvin dan -273.15°C pada skala Celsius. Bahan tersebut mempamerkan kesan kuantum pada suhu minimum, seperti superkonduktiviti dan superfluiditi. Suhu terendah dalam keadaan makmal ialah 10-12 K, dan dalam persekitaran semula jadi - 1 K (pengembangan gas yang cepat di Nebula Boomerang).
Pengembangan gas yang cepat membawa kepada suhu minimum yang diperhatikan
Sifar mutlak sepadan dengan suhu -273.15 °C.
Adalah dipercayai bahawa sifar mutlak tidak boleh dicapai dalam amalan. Kewujudan dan kedudukannya pada skala suhu berikutan daripada ekstrapolasi fenomena fizikal yang diperhatikan, dan ekstrapolasi sedemikian menunjukkan bahawa pada sifar mutlak tenaga pergerakan terma molekul dan atom sesuatu bahan hendaklah sama dengan sifar, iaitu pergerakan zarah yang huru-hara. berhenti, dan mereka membentuk struktur yang teratur, menduduki kedudukan yang jelas dalam nod kekisi kristal. Walau bagaimanapun, sebenarnya, walaupun pada suhu sifar mutlak, pergerakan tetap zarah yang membentuk jirim akan kekal. Ayunan yang tinggal, seperti ayunan titik sifar, adalah disebabkan oleh sifat kuantum zarah dan vakum fizikal yang mengelilinginya.
Pada masa ini, dalam makmal fizikal adalah mungkin untuk memperoleh suhu melebihi sifar mutlak dengan hanya beberapa persejuta darjah; untuk mencapainya sendiri, mengikut undang-undang termodinamik, adalah mustahil.
Nota
kesusasteraan
- G. Burmin. Serangan ke atas sifar mutlak. - M.: “Kesusasteraan Kanak-kanak”, 1983.
lihat juga
Yayasan Wikimedia. 2010.
sinonim:Lihat apa "Sifar mutlak" dalam kamus lain:
Suhu, asal usul suhu pada skala suhu termodinamik (lihat SKALA SUHU TERMODINAMIK). Sifar mutlak terletak 273.16 °C di bawah suhu titik tiga (lihat TITIK TRIPLE) air, yang mana ia diterima ... ... Kamus ensiklopedia
Suhu, asal usul suhu pada skala suhu termodinamik. Sifar mutlak terletak 273.16°C di bawah suhu titik tiga air (0.01°C). Sifar mutlak pada asasnya tidak dapat dicapai, suhu hampir dicapai... ... Ensiklopedia moden
Suhu ialah titik permulaan bagi suhu pada skala suhu termodinamik. Sifar mutlak terletak pada 273.16.C di bawah suhu titik tiga air, yang mana nilainya ialah 0.01.C. Sifar mutlak pada asasnya tidak boleh dicapai (lihat... ... Kamus Ensiklopedia Besar
Suhu, yang menyatakan ketiadaan haba, adalah sama dengan 218° C. Kamus perkataan asing termasuk dalam bahasa Rusia. Pavlenkov F., 1907. suhu sifar mutlak (fizikal) - suhu terendah yang mungkin (273.15°C). kamus besar... ... Kamus perkataan asing bahasa Rusia
sifar mutlak- Suhu yang sangat rendah di mana pergerakan terma molekul berhenti pada skala Kelvin, sifar mutlak (0°K) sepadan dengan –273.16±0.01°C... Kamus Geografi
Kata nama, bilangan sinonim: 15 bulat sifar (8) lelaki kecil (32) goreng kecil ... kamus sinonim
Suhu yang sangat rendah di mana pergerakan terma molekul berhenti. Tekanan dan isipadu gas ideal, menurut hukum Boyle-Mariotte, menjadi sama dengan sifar, dan permulaan suhu mutlak pada skala Kelvin diambil sebagai... ... kamus ekologi
sifar mutlak- - [A.S. Goldberg. Kamus tenaga Inggeris-Rusia. 2006] Topik tenaga secara umum EN titik sifar ... Panduan Penterjemah Teknikal
Permulaan rujukan suhu mutlak. Sepadan dengan 273.16° C. Pada masa ini, dalam makmal fizikal adalah mungkin untuk memperoleh suhu yang melebihi sifar mutlak hanya dengan beberapa persejuta darjah, dan untuk mencapainya, mengikut undang-undang... ... Ensiklopedia Collier
sifar mutlak- absoliutusis nulis status sebagai T sritis Standartizacija ir metrologija apibrėžtis Termodinaminės temperatūros atskaitos pradžia, esanti 273.16 K žemiau vandens trigubojo taško. Tai 273.16 °C, 459.69 °F arba 0 K temperatūra. atitikmenys: engl.… … Penkiakalbis aiškinamasi metrologijos terminų žodynas
sifar mutlak- absoliutusis nulis status sebagai T sritis chemija apibrėžtis Kelvino skalės nulis (−273.16 °C). atitikmenys: engl. sifar mutlak rus. sifar mutlak... Chemijos terminų aiškinamasi žodynas